钛对石墨烯增强铜基复合材料耐磨性的影响
发布时间：2021-08-12 15:56
通过基体钛合金化的方法,热压烧结制备石墨烯增强铜基复合材料,采用往复式摩擦磨损测试其耐磨性,X射线衍射（XRD）分析物相,光镜、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析微观结构和磨损形貌,结果表明:铜/石墨烯界面形成的TiC纳米颗粒有利于增强界面结合力。掺有0.25%Ti的复合材料抗磨性能大幅提升,表现出较低的摩擦系数0.25和较小的体积磨损率10.5×10-5 mm3/（N·m）（仅为纯铜材料的22%）;但过量的Ti会导致摩擦性能下降。
【文章来源】：钢铁钒钛. 2020,41(04)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
烧结复合材料的XRD谱图
图2显示了热压烧结后纯铜和Cu-Gr 复合材料的微观组织及结构。可见,石墨烯均匀分布于铜基体中。此外,由于石墨烯添加含量低,仅为0.2%,没有发现石墨烯存在择优取向的倾向。根据Saboori 等人[9]的研究报道,当石墨烯体积分数达到8%时,才可以观察到明显的择优取向现象,该浓度远高于本研究中石墨烯的添加量。从图2也可观察到石墨烯纳米片主要分布在铜基体的晶界上,这是因为根据Cu-C二元相图,碳在其熔点以下几乎不溶于铜,因此铜晶粒内部没有石墨烯溶入,只能分布在铜晶粒之间的晶界上。与纯铜相比,复合材料Cu-0.2Gr的晶粒明显细化,这是因为晶界存在的石墨烯阻止了烧结过程中晶粒的长大。图2(c)清楚显示在CuTi/Gr界面形成了大量类球形的纳米颗粒,尺寸介于2～5 nm。通过图2(d)对纳米颗粒晶面间距的测定和比对,0.216 nm对应TiC的(200)晶面,因此该纳米颗粒为TiC。在图1的XRD谱图中未显示TiC衍射峰的存在,原因在于其数量低于XRD衍射仪的检测下限。
复合材料磨损面的SEM照片如图3所示。不含石墨烯的纯铜样品有最大的磨痕宽度(～ 420 μm),明显的塑形变形,大量的磨损碎屑以及断裂痕迹,显示该试样经历了严重的磨料磨损、粘着磨损和机械剥离。当0.2% Gr添加到铜基复合材料中,磨痕宽度减少至～ 400 μm,磨损面上可观察到少量磨粒犁削的细小划痕以及磨屑和剥离区域,这表明该材料的主要磨损方式为磨粒磨损和剥离磨损。此外,磨痕表面上间歇出现的平滑表面使得Cu-0.2Gr复合材料的磨损面整体形貌比纯铜平滑得多。Cu-0.2Gr-0.25Ti复合材料的磨损面最为平滑,且磨痕宽度最窄(～ 190 μm),微观的犁削痕迹几乎不可见,这表明该材料经历的是轻微的磨粒磨损。与Cu-0.2Gr-0.25Ti相比,Cu-0.2Gr-0.5Ti试样的磨损面宽度大幅增加至～ 390 μm,变得更加粗糙,具有典型的塑性变形,以及犁削和剥离痕迹,这些表明该材料的磨损存在磨粒磨损、粘着磨损和机械剥离三种方式,与纯铜试样的磨损形貌非常近似。基于上述的磨损形貌演化分析,CuTi-Gr复合材料的磨损机理可推断如下:在摩擦过程中,石墨烯纳米片暴露于滑动的对磨球下,并与铜的磨屑紧压在一起,于接触表面上形成了碳质润滑膜。这种包含石墨烯的润滑膜有效避免了陶瓷与金属摩擦副之间的直接接触,通过在磨损过程中提供容易的剪切模式并减小从接触面传递到下层基体的剪切应力,阻止了基体的进一步塑性变形,因此提升了复合材料的抗磨能力。与此相反,纯铜试样由于缺乏石墨烯的润滑作用,遭受了严重的磨损。然而,由于铜与石墨烯之间的亲和力较弱,在摩擦过程中石墨烯纳米片很容易从基体上剥落,导致可用于减摩的石墨烯纳米片数量减少,磨损面上形成的润滑膜不连续,并且最终磨损率没有如预期般大幅降低。Cu-0.2Gr磨损面上间歇存在的光滑面有力证明了非连续摩擦膜的存在。而根据研究[11]报道,摩擦膜越完整,越有利于减少摩擦磨损。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A Novel Cu–GNPs Nanocomposite with Improved Thermal and Mechanical Properties[J]. Abdollah Saboori,Matteo Pavese,Claudio Badini,Paolo Fino. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(02)
[2]石墨烯和石墨增强铜基复合材料的摩擦磨损性能（英文）[J]. 李景夫,张雷,肖金坤,周科朝. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015(10)
本文编号：3338618
【文章来源】：钢铁钒钛. 2020,41(04)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
烧结复合材料的XRD谱图
图2显示了热压烧结后纯铜和Cu-Gr 复合材料的微观组织及结构。可见,石墨烯均匀分布于铜基体中。此外,由于石墨烯添加含量低,仅为0.2%,没有发现石墨烯存在择优取向的倾向。根据Saboori 等人[9]的研究报道,当石墨烯体积分数达到8%时,才可以观察到明显的择优取向现象,该浓度远高于本研究中石墨烯的添加量。从图2也可观察到石墨烯纳米片主要分布在铜基体的晶界上,这是因为根据Cu-C二元相图,碳在其熔点以下几乎不溶于铜,因此铜晶粒内部没有石墨烯溶入,只能分布在铜晶粒之间的晶界上。与纯铜相比,复合材料Cu-0.2Gr的晶粒明显细化,这是因为晶界存在的石墨烯阻止了烧结过程中晶粒的长大。图2(c)清楚显示在CuTi/Gr界面形成了大量类球形的纳米颗粒,尺寸介于2～5 nm。通过图2(d)对纳米颗粒晶面间距的测定和比对,0.216 nm对应TiC的(200)晶面,因此该纳米颗粒为TiC。在图1的XRD谱图中未显示TiC衍射峰的存在,原因在于其数量低于XRD衍射仪的检测下限。
复合材料磨损面的SEM照片如图3所示。不含石墨烯的纯铜样品有最大的磨痕宽度(～ 420 μm),明显的塑形变形,大量的磨损碎屑以及断裂痕迹,显示该试样经历了严重的磨料磨损、粘着磨损和机械剥离。当0.2% Gr添加到铜基复合材料中,磨痕宽度减少至～ 400 μm,磨损面上可观察到少量磨粒犁削的细小划痕以及磨屑和剥离区域,这表明该材料的主要磨损方式为磨粒磨损和剥离磨损。此外,磨痕表面上间歇出现的平滑表面使得Cu-0.2Gr复合材料的磨损面整体形貌比纯铜平滑得多。Cu-0.2Gr-0.25Ti复合材料的磨损面最为平滑,且磨痕宽度最窄(～ 190 μm),微观的犁削痕迹几乎不可见,这表明该材料经历的是轻微的磨粒磨损。与Cu-0.2Gr-0.25Ti相比,Cu-0.2Gr-0.5Ti试样的磨损面宽度大幅增加至～ 390 μm,变得更加粗糙,具有典型的塑性变形,以及犁削和剥离痕迹,这些表明该材料的磨损存在磨粒磨损、粘着磨损和机械剥离三种方式,与纯铜试样的磨损形貌非常近似。基于上述的磨损形貌演化分析,CuTi-Gr复合材料的磨损机理可推断如下:在摩擦过程中,石墨烯纳米片暴露于滑动的对磨球下,并与铜的磨屑紧压在一起,于接触表面上形成了碳质润滑膜。这种包含石墨烯的润滑膜有效避免了陶瓷与金属摩擦副之间的直接接触,通过在磨损过程中提供容易的剪切模式并减小从接触面传递到下层基体的剪切应力,阻止了基体的进一步塑性变形,因此提升了复合材料的抗磨能力。与此相反,纯铜试样由于缺乏石墨烯的润滑作用,遭受了严重的磨损。然而,由于铜与石墨烯之间的亲和力较弱,在摩擦过程中石墨烯纳米片很容易从基体上剥落,导致可用于减摩的石墨烯纳米片数量减少,磨损面上形成的润滑膜不连续,并且最终磨损率没有如预期般大幅降低。Cu-0.2Gr磨损面上间歇存在的光滑面有力证明了非连续摩擦膜的存在。而根据研究[11]报道,摩擦膜越完整,越有利于减少摩擦磨损。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A Novel Cu–GNPs Nanocomposite with Improved Thermal and Mechanical Properties[J]. Abdollah Saboori,Matteo Pavese,Claudio Badini,Paolo Fino. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(02)
[2]石墨烯和石墨增强铜基复合材料的摩擦磨损性能（英文）[J]. 李景夫,张雷,肖金坤,周科朝. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015(10)
本文编号：3338618
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